紫根凤眼莲对水中四种重金属的去除机理研究

发布时间：2016-11-27 16:36

  本文关键词：紫根凤眼莲对水中四种重金属的去除机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

《昆明理工大学》 2015年

紫根凤眼莲对水中四种重金属的去除机理研究

李强  

【摘要】：铅、锌、铜、镉是工业废水中最常见的重金属污染物,现已成为环境中污染最严重的一类物质。电镀厂、肥料厂、采矿厂和纺织厂等在生产过程中都会将这些重金属排入环境,而由于这些重金属具有高毒性、高积累性和难降解性等特点,会在食物链中不断累积并放大,进而对生态系统和人体健康产生重大危害。目前,高等水生植物修复技术被认为是一种生态环保的重金属处理技术。在众多高等水生植物中,凤眼莲因其对重金属污染物去除能力和繁殖能力较强而受到广泛的关注,是一种廉价、高效、可持续发展的污水净化植物,对重金属污染物的去除和水质的改善意义重大。还有研究表明,凤眼莲去除重金属的主要部位在根部,其根部细胞壁属于生物半透膜,从而使得分子量较大的重金属被截留吸收在根部。同时,凤眼莲的根系与水面接触面积较大,会形成较为密集的过滤层,能够去除大量的重金属。云南省生态农业研究所通过向普通凤眼莲喷洒诱导剂的方式,培育出紫根凤眼莲；和普通凤眼莲相比,其叶片大小仅为普通凤眼莲的十分之一,而根系较为发达,平均长度为80cm左右,有的甚至超过1 m,这为紫根凤眼莲去除重金属提供了优势。本论文以紫根凤眼莲为研究对象,首先对比了它和普通凤眼莲在去除重金属铅、锌、铜、镉上的效果,在了解紫根凤眼莲对四种重金属的主要吸收和吸附部位在根部以后,进一步对紫根凤眼莲根粉和根粉生物炭开展资源化利用。通过实验操作和现代分析手段,解释和探索紫根凤眼莲及其生物质吸收和吸附重金属的过程,研究结果为滇池圈养紫根凤眼莲可行性提供科学依据,同时为紫根凤眼莲废弃生物资源再利用的可能性提供依据。(1)在紫根凤眼莲和普通凤眼莲对比去除重金属Pb、Zn、Cu、Cd实验中,紫根凤眼莲在高浓度重金属溶液中的相对增长率更高,对重金属去除效率以及对水体理化性质改善方面皆优于普通凤眼莲。在单一重金属体系下,紫根凤眼莲在4天内对四种重金属的去除率皆可达到80%以上,去除规律为PbCdCuZn。在混合重金属正交实验中,F检验结果表明：紫根凤眼莲对Pb的去除过程不受Zn、Cu、Cd的影响；而对Zn的去除过程受Pb、Cu、Cd的影响,其作用明显；对Cu的去除过程受Pb和Cd的影响：对Cd的去除过程明显受Pb、Zn、Cu的影响。紫根凤眼莲对重金属的去除主要在根部,去除过程存在根表面吸附和植物运输吸收两种作用,去除过程以根表面吸附作用为主。通过吸附作用吸附到根表面的Pb、Zn、Cu、Cd百分比约为75%、43%、29%和61%,其中,通过离子交换作用吸附到根表面的Pb、Zn、Cu、Cd为17%、13%、18%和20%：与此同时,紫根凤眼莲对重金属也存在吸收作用,由BCF生物积累指数公式求得紫根凤眼莲对Pb、Zn、Cu、Cd的富集指数分别为267、102、230和173.(2)紫根凤眼莲根粉SEM结果表明,紫根凤眼莲根粉表面孔径分布不规律,其表面呈片状结构且为不规则的矩形；能谱分析表明所有重金属都成功吸附到了紫根凤眼莲根粉表面。BET结果发现其比表面积和平均孔径分别为1.1 m2/g和11.4nm,氮气吸附脱附曲线表明其滞后环为H3型。红外光谱表明：根粉上的含磷化合物(2265-2455 cm-1)、羰基官能团(1650-1870 cm-1)和含氮化合物(1335-1565 cm-1)在吸附重金属时起到了关键作用。在pH为5和根粉投加量为20 g/L时,根粉对Pb、Zn、Cu、Cd的去除规律为：PbCdZnCu,吸附过程符合Langmuir模型和拟二级动力学。在混合重金属体系中,根粉对Pb、Zn、Cd的去除率相对于单一重金属体系下有所下降。竞争吸附试验结果表明：Pb或Cu存在时,会影响根粉对Zn和Cd的吸附,但后两者对前两者的影响较小。(3)紫根凤眼莲根粉生物炭由根粉在200、300、400和500℃C下高温缺氧裂解产生,简称为LEC200、LEC300、LEC400 和 LEC500。其中C含量随裂解温度的升高而升高,N含量没有明显差异,O含量随着裂解温度升高而降低。四种生物炭对重金属的吸附过程都符合拟二级动力学。其中,LEC500对四种重金属的吸附速度最快,这是由于LEC500碱度最高、比表面积最大。室温下, LEC500对Pb、Zn、Cu、Cd的最大吸附量分别为39.09 mg/g、45.40 mg/g、48.20 mg/g和44.04 mg/g,最大吸附量大小顺序为：CuZnCdPb。 Pb、Zn、Cu、Cd在LEC500上的吸附更符合Langmuir模型。经过计算,△H0为正值证实反应过程为吸热反应,△S0为正值和AGO为负值都说明重金属吸附到LEC500上是自发进行的。四种生物炭的CEC较低而pH较高,吸附重金属后pH明显下降,化学沉淀在吸附过程中的作用大于离子交换。根据红外光谱,烷基官能团、羧基官能团、磷酸化合物和氰基官能团在生物炭吸附重金属时也起到了关键作用。研究表明,紫根凤眼莲在去除水体重金属Pb、Zn、Cu、Cd污染时,相比于普通凤眼莲有更大的优势,其最具特色的长根在被制成根粉和生物炭进行资源化利用后,在吸附重金属Pb、Zn、Cu、Cd时表现良好,为水体单一重金属污染和混合重金属污染治理提供了新方法和新思路。

【关键词】：
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X173;X703
【目录】：

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